source: palm/trunk/SOURCE/lpm_advec.f90 @ 3268

Last change on this file since 3268 was 3241, checked in by raasch, 6 years ago

various changes to avoid compiler warnings (mainly removal of unused variables)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 54.9 KB
Line 
1!> @file lpm_advec.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
17! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! ------------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: lpm_advec.f90 3241 2018-09-12 15:02:00Z sward $
27! unused variables removed
28!
29! 3207 2018-08-27 12:55:33Z schwenkel
30! Minor bugfix for sgs-velocities in case of cloud droplets
31!
32! 3189 2018-08-06 13:18:55Z raasch
33! Bugfix: Index of the array dzw has to be k+1 during the interpolation.
34! Otherwise k=0 causes an abortion because dzw is allocated from 1 to nzt+1
35!
36! 3065 2018-06-12 07:03:02Z Giersch
37! dz values were replaced by dzw or dz(1) to allow for right vertical stretching
38!
39! 2969 2018-04-13 11:55:09Z thiele
40! Bugfix in Interpolation indices.
41!
42! 2886 2018-03-14 11:51:53Z thiele
43! Bugfix in passive particle SGS Model:
44! Sometimes the added SGS velocities would lead to a violation of the CFL
45! criterion for single particles. For this a check was added after the
46! calculation of SGS velocities.
47!
48! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
49! Corrected "Former revisions" section
50!
51! 2701 2017-12-15 15:40:50Z suehring
52! Changes from last commit documented
53!
54! 2698 2017-12-14 18:46:24Z suehring
55! Particle interpolations at walls in case of SGS velocities revised and not
56! required parts are removed. (responsible Philipp Thiele)
57! Bugfix in get_topography_top_index
58!
59! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
60! Change in file header (GPL part)
61!
62! 2630 2017-11-20 12:58:20Z schwenkel
63! Removed indices ilog and jlog which are no longer needed since particle box
64! locations are identical to scalar boxes and topography.
65!
66! 2628 2017-11-20 12:40:38Z raasch
67! bugfix in logarithmic interpolation of v-component (usws was used by mistake)
68!
69! 2606 2017-11-10 10:36:31Z schwenkel
70! Changed particle box locations: center of particle box now coincides
71! with scalar grid point of same index.
72! Renamed module and subroutines: lpm_pack_arrays_mod -> lpm_pack_and_sort_mod
73! lpm_pack_all_arrays -> lpm_sort_in_subboxes, lpm_pack_arrays -> lpm_pack
74! lpm_sort -> lpm_sort_timeloop_done
75!
76! 2417 2017-09-06 15:22:27Z suehring
77! Particle loops adapted for sub-box structure, i.e. for each sub-box the
78! particle loop runs from start_index up to end_index instead from 1 to
79! number_of_particles. This way, it is possible to skip unnecessary
80! computations for particles that already completed the LES timestep.
81!
82! 2318 2017-07-20 17:27:44Z suehring
83! Get topography top index via Function call
84!
85! 2317 2017-07-20 17:27:19Z suehring
86!
87! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
88! Adjustments to new topography and surface concept
89!
90! 2100 2017-01-05 16:40:16Z suehring
91! Prevent extremely large SGS-velocities in regions where TKE is zero, e.g.
92! at the begin of simulations and/or in non-turbulent regions.
93!
94! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
95! Forced header and separation lines into 80 columns
96!
97! 1936 2016-06-13 13:37:44Z suehring
98! Formatting adjustments
99!
100! 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring
101! Put stochastic equation in an extra subroutine.
102! Set flag for stochastic equation to communicate whether a particle is near
103! topography. This case, memory and drift term are disabled in the Weil equation.
104!
105! Enable vertical logarithmic interpolation also above topography. This case,
106! set a lower limit for the friction velocity, as it can become very small
107! in narrow street canyons, leading to too large particle speeds.
108!
109! 1888 2016-04-21 12:20:49Z suehring
110! Bugfix concerning logarithmic interpolation of particle speed
111!
112! 1822 2016-04-07 07:49:42Z hoffmann
113! Random velocity fluctuations for particles added. Terminal fall velocity
114! for droplets is calculated from a parameterization (which is better than
115! the previous, physically correct calculation, which demands a very short
116! time step that is not used in the model).
117!
118! Unused variables deleted.
119!
120! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
121! Renamed prandtl_layer to constant_flux_layer.
122!
123! 1685 2015-10-08 07:32:13Z raasch
124! TKE check for negative values (so far, only zero value was checked)
125! offset_ocean_nzt_m1 removed
126!
127! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
128! Code annotations made doxygen readable
129!
130! 1583 2015-04-15 12:16:27Z suehring
131! Bugfix: particle advection within Prandtl-layer in case of Galilei
132! transformation.
133!
134! 1369 2014-04-24 05:57:38Z raasch
135! usage of module interfaces removed
136!
137! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
138! New particle structure integrated.
139! Kind definition added to all floating point numbers.
140!
141! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
142! REAL constants defined as wp_kind
143!
144! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
145! ONLY-attribute added to USE-statements,
146! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
147! kinds are defined in new module kinds,
148! revision history before 2012 removed,
149! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
150! all variable declaration statements
151!
152! 1314 2014-03-14 18:25:17Z suehring
153! Vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speed for particles
154! between roughness height and first vertical grid level.
155!
156! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
157! code put under GPL (PALM 3.9)
158!
159! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
160! initial revision (former part of advec_particles)
161!
162!
163! Description:
164! ------------
165!> Calculation of new particle positions due to advection using a simple Euler
166!> scheme. Particles may feel inertia effects. SGS transport can be included
167!> using the stochastic model of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
168!------------------------------------------------------------------------------!
169 SUBROUTINE lpm_advec (ip,jp,kp)
170 
171
172    USE arrays_3d,                                                             &
173        ONLY:  de_dx, de_dy, de_dz, diss, dzw, e, km, u, v, w, zu, zw
174
175    USE cpulog
176
177    USE pegrid
178
179    USE control_parameters,                                                    &
180        ONLY:  cloud_droplets, constant_flux_layer, dt_3d, dt_3d_reached_l,    &
181               dz, g, kappa, topography, u_gtrans, v_gtrans
182
183    USE grid_variables,                                                        &
184        ONLY:  dx, dy
185       
186    USE indices,                                                               &
187        ONLY:  nzb, nzt, wall_flags_0
188       
189    USE kinds
190   
191    USE particle_attributes,                                                   &
192        ONLY:  block_offset, c_0, dt_min_part, grid_particles, iran_part,      &
193               log_z_z0, number_of_particles, number_of_sublayers,             &
194               particles, particle_groups, sgs_wf_part,                        &
195               use_sgs_for_particles, vertical_particle_advection, z0_av_global
196       
197    USE statistics,                                                            &
198        ONLY:  hom
199
200    USE surface_mod,                                                           &
201        ONLY:  get_topography_top_index_ji, surf_def_h, surf_lsm_h, surf_usm_h
202
203    IMPLICIT NONE
204
205    LOGICAL ::  subbox_at_wall !< flag to see if the current subgridbox is adjacent to a wall
206
207    INTEGER(iwp) ::  i                           !< index variable along x
208    INTEGER(iwp) ::  ip                          !< index variable along x
209    INTEGER(iwp) ::  j                           !< index variable along y
210    INTEGER(iwp) ::  jp                          !< index variable along y
211    INTEGER(iwp) ::  k                           !< index variable along z
212    INTEGER(iwp) ::  k_wall                      !< vertical index of topography top
213    INTEGER(iwp) ::  kp                          !< index variable along z
214    INTEGER(iwp) ::  kw                          !< index variable along z
215    INTEGER(iwp) ::  n                           !< loop variable over all particles in a grid box
216    INTEGER(iwp) ::  nb                          !< block number particles are sorted in
217    INTEGER(iwp) ::  surf_start                  !< Index on surface data-type for current grid box
218
219    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  start_index !< start particle index for current block
220    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:7) ::  end_index   !< start particle index for current block
221
222    REAL(wp) ::  aa                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
223    REAL(wp) ::  bb                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
224    REAL(wp) ::  cc                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
225    REAL(wp) ::  d_z_p_z0           !< inverse of interpolation length for logarithmic interpolation
226    REAL(wp) ::  dd                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
227    REAL(wp) ::  de_dx_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (x) at particle position at lower vertical level
228    REAL(wp) ::  de_dx_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (x) at particle position at upper vertical level
229    REAL(wp) ::  de_dy_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (y) at particle position at lower vertical level
230    REAL(wp) ::  de_dy_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (y) at particle position at upper vertical level
231    REAL(wp) ::  de_dt              !< temporal derivative of TKE experienced by the particle
232    REAL(wp) ::  de_dt_min          !< lower level for temporal TKE derivative
233    REAL(wp) ::  de_dz_int_l        !< x/y-interpolated TKE gradient (z) at particle position at lower vertical level
234    REAL(wp) ::  de_dz_int_u        !< x/y-interpolated TKE gradient (z) at particle position at upper vertical level
235    REAL(wp) ::  diameter           !< diamter of droplet
236    REAL(wp) ::  diss_int_l         !< x/y-interpolated dissipation at particle position at lower vertical level
237    REAL(wp) ::  diss_int_u         !< x/y-interpolated dissipation at particle position at upper vertical level
238    REAL(wp) ::  dt_particle_m      !< previous particle time step
239    REAL(wp) ::  dz_temp            !<
240    REAL(wp) ::  e_int_l            !< x/y-interpolated TKE at particle position at lower vertical level
241    REAL(wp) ::  e_int_u            !< x/y-interpolated TKE at particle position at upper vertical level
242    REAL(wp) ::  e_mean_int         !< horizontal mean TKE at particle height
243    REAL(wp) ::  exp_arg            !<
244    REAL(wp) ::  exp_term           !<
245    REAL(wp) ::  gg                 !< dummy argument for horizontal particle interpolation
246    REAL(wp) ::  height_p           !< dummy argument for logarithmic interpolation
247    REAL(wp) ::  log_z_z0_int       !< logarithmus used for surface_layer interpolation
248    REAL(wp) ::  random_gauss       !<
249    REAL(wp) ::  RL                 !< Lagrangian autocorrelation coefficient
250    REAL(wp) ::  rg1                !< Gaussian distributed random number
251    REAL(wp) ::  rg2                !< Gaussian distributed random number
252    REAL(wp) ::  rg3                !< Gaussian distributed random number
253    REAL(wp) ::  sigma              !< velocity standard deviation
254    REAL(wp) ::  u_int_l            !< x/y-interpolated u-component at particle position at lower vertical level
255    REAL(wp) ::  u_int_u            !< x/y-interpolated u-component at particle position at upper vertical level
256    REAL(wp) ::  us_int             !< friction velocity at particle grid box
257    REAL(wp) ::  usws_int           !< surface momentum flux (u component) at particle grid box
258    REAL(wp) ::  v_int_l            !< x/y-interpolated v-component at particle position at lower vertical level
259    REAL(wp) ::  v_int_u            !< x/y-interpolated v-component at particle position at upper vertical level
260    REAL(wp) ::  vsws_int           !< surface momentum flux (u component) at particle grid box
261    REAL(wp) ::  vv_int             !<
262    REAL(wp) ::  w_int_l            !< x/y-interpolated w-component at particle position at lower vertical level
263    REAL(wp) ::  w_int_u            !< x/y-interpolated w-component at particle position at upper vertical level
264    REAL(wp) ::  w_s                !< terminal velocity of droplets
265    REAL(wp) ::  x                  !< dummy argument for horizontal particle interpolation
266    REAL(wp) ::  y                  !< dummy argument for horizontal particle interpolation
267    REAL(wp) ::  z_p                !< surface layer height (0.5 dz)
268
269    REAL(wp), PARAMETER ::  a_rog = 9.65_wp      !< parameter for fall velocity
270    REAL(wp), PARAMETER ::  b_rog = 10.43_wp     !< parameter for fall velocity
271    REAL(wp), PARAMETER ::  c_rog = 0.6_wp       !< parameter for fall velocity
272    REAL(wp), PARAMETER ::  k_cap_rog = 4.0_wp   !< parameter for fall velocity
273    REAL(wp), PARAMETER ::  k_low_rog = 12.0_wp  !< parameter for fall velocity
274    REAL(wp), PARAMETER ::  d0_rog = 0.745_wp    !< separation diameter
275
276    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  term_1_2       !< flag to communicate whether a particle is near topography or not
277    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dens_ratio     !<
278    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dx_int      !< horizontal TKE gradient along x at particle position
279    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dy_int      !< horizontal TKE gradient along y at particle position
280    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  de_dz_int      !< horizontal TKE gradient along z at particle position
281    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  diss_int       !< dissipation at particle position
282    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_gap         !< remaining time until particle time integration reaches LES time
283    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  dt_particle    !< particle time step
284    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  e_int          !< TKE at particle position
285    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  fs_int         !< weighting factor for subgrid-scale particle speed
286    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  lagr_timescale !< Lagrangian timescale
287    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar1_temp     !<
288    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar2_temp     !<
289    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  rvar3_temp     !<
290    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  u_int          !< u-component of particle speed
291    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  v_int          !< v-component of particle speed
292    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  w_int          !< w-component of particle speed
293    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  xv             !< x-position
294    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  yv             !< y-position
295    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles) ::  zv             !< z-position
296
297    REAL(wp), DIMENSION(number_of_particles, 3) ::  rg !< vector of Gaussian distributed random numbers
298
299    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'continue' )
300
301!
302!-- Determine height of Prandtl layer and distance between Prandtl-layer
303!-- height and horizontal mean roughness height, which are required for
304!-- vertical logarithmic interpolation of horizontal particle speeds
305!-- (for particles below first vertical grid level).
306    z_p      = zu(nzb+1) - zw(nzb)
307    d_z_p_z0 = 1.0_wp / ( z_p - z0_av_global )
308
309    start_index = grid_particles(kp,jp,ip)%start_index
310    end_index   = grid_particles(kp,jp,ip)%end_index
311
312    xv = particles(1:number_of_particles)%x
313    yv = particles(1:number_of_particles)%y
314    zv = particles(1:number_of_particles)%z
315
316    DO  nb = 0, 7
317!
318!--    Interpolate u velocity-component       
319       i = ip
320       j = jp + block_offset(nb)%j_off
321       k = kp + block_offset(nb)%k_off
322
323       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
324!
325!--       Interpolation of the u velocity component onto particle position. 
326!--       Particles are interpolation bi-linearly in the horizontal and a
327!--       linearly in the vertical. An exception is made for particles below
328!--       the first vertical grid level in case of a prandtl layer. In this
329!--       case the horizontal particle velocity components are determined using
330!--       Monin-Obukhov relations (if branch).
331!--       First, check if particle is located below first vertical grid level
332!--       above topography (Prandtl-layer height)
333!--       Determine vertical index of topography top
334          k_wall = get_topography_top_index_ji( jp, ip, 's' )
335
336          IF ( constant_flux_layer  .AND.  zv(n) - zw(k_wall) < z_p )  THEN
337!
338!--          Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
339             IF ( zv(n) - zw(k_wall) < z0_av_global )  THEN
340                u_int(n) = 0.0_wp
341             ELSE
342!
343!--             Determine the sublayer. Further used as index.
344                height_p = ( zv(n) - zw(k_wall) - z0_av_global ) &
345                                     * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )    &
346                                     * d_z_p_z0 
347!
348!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
349!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
350                log_z_z0_int = log_z_z0(INT(height_p))                         &
351                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
352                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
353                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
354                                   ) 
355!
356!--             Get friction velocity and momentum flux from new surface data
357!--             types.
358                IF ( surf_def_h(0)%start_index(jp,ip) <=                   &
359                     surf_def_h(0)%end_index(jp,ip) )  THEN
360                   surf_start = surf_def_h(0)%start_index(jp,ip)
361!--                Limit friction velocity. In narrow canyons or holes the
362!--                friction velocity can become very small, resulting in a too
363!--                large particle speed.
364                   us_int    = MAX( surf_def_h(0)%us(surf_start), 0.01_wp ) 
365                   usws_int  = surf_def_h(0)%usws(surf_start)
366                ELSEIF ( surf_lsm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
367                         surf_lsm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
368                   surf_start = surf_lsm_h%start_index(jp,ip)
369                   us_int    = MAX( surf_lsm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
370                   usws_int  = surf_lsm_h%usws(surf_start)
371                ELSEIF ( surf_usm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
372                         surf_usm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
373                   surf_start = surf_usm_h%start_index(jp,ip)
374                   us_int    = MAX( surf_usm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
375                   usws_int  = surf_usm_h%usws(surf_start)
376                ENDIF
377
378!
379!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
380!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
381!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
382!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
383!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
384!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
385                u_int(n) = -usws_int / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           & 
386                            * log_z_z0_int - u_gtrans
387               
388             ENDIF
389!
390!--       Particle above the first grid level. Bi-linear interpolation in the
391!--       horizontal and linear interpolation in the vertical direction.
392          ELSE
393
394             x  = xv(n) - i * dx
395             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
396             aa = x**2          + y**2
397             bb = ( dx - x )**2 + y**2
398             cc = x**2          + ( dy - y )**2
399             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
400             gg = aa + bb + cc + dd
401
402             u_int_l = ( ( gg - aa ) * u(k,j,i)   + ( gg - bb ) * u(k,j,i+1)   &
403                         + ( gg - cc ) * u(k,j+1,i) + ( gg - dd ) *            &
404                         u(k,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
405
406             IF ( k == nzt )  THEN
407                u_int(n) = u_int_l
408             ELSE
409                u_int_u = ( ( gg-aa ) * u(k+1,j,i) + ( gg-bb ) * u(k+1,j,i+1)  &
410                            + ( gg-cc ) * u(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) *           &
411                            u(k+1,j+1,i+1) ) / ( 3.0_wp * gg ) - u_gtrans
412                u_int(n) = u_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) *               &
413                           ( u_int_u - u_int_l )
414             ENDIF
415
416          ENDIF
417
418       ENDDO
419!
420!--    Same procedure for interpolation of the v velocity-component
421       i = ip + block_offset(nb)%i_off
422       j = jp
423       k = kp + block_offset(nb)%k_off
424
425       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
426
427!
428!--       Determine vertical index of topography top
429          k_wall = get_topography_top_index_ji( jp,ip, 's' )
430
431          IF ( constant_flux_layer  .AND.  zv(n) - zw(k_wall) < z_p )  THEN
432             IF ( zv(n) - zw(k_wall) < z0_av_global )  THEN
433!
434!--             Resolved-scale horizontal particle velocity is zero below z0.
435                v_int(n) = 0.0_wp
436             ELSE       
437!
438!--             Determine the sublayer. Further used as index. Please note,
439!--             logarithmus can not be reused from above, as in in case of
440!--             topography particle on u-grid can be above surface-layer height,
441!--             whereas it can be below on v-grid.
442                height_p = ( zv(n) - zw(k_wall) - z0_av_global ) &
443                                  * REAL( number_of_sublayers, KIND=wp )       &
444                                  * d_z_p_z0 
445!
446!--             Calculate LOG(z/z0) for exact particle height. Therefore,   
447!--             interpolate linearly between precalculated logarithm.
448                log_z_z0_int = log_z_z0(INT(height_p))                         &
449                                 + ( height_p - INT(height_p) )                &
450                                 * ( log_z_z0(INT(height_p)+1)                 &
451                                      - log_z_z0(INT(height_p))                &
452                                   ) 
453!
454!--             Get friction velocity and momentum flux from new surface data
455!--             types.
456                IF ( surf_def_h(0)%start_index(jp,ip) <=                   &
457                     surf_def_h(0)%end_index(jp,ip) )  THEN
458                   surf_start = surf_def_h(0)%start_index(jp,ip)
459!--                Limit friction velocity. In narrow canyons or holes the
460!--                friction velocity can become very small, resulting in a too
461!--                large particle speed.
462                   us_int    = MAX( surf_def_h(0)%us(surf_start), 0.01_wp ) 
463                   vsws_int  = surf_def_h(0)%vsws(surf_start)
464                ELSEIF ( surf_lsm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
465                         surf_lsm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
466                   surf_start = surf_lsm_h%start_index(jp,ip)
467                   us_int    = MAX( surf_lsm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
468                   vsws_int  = surf_lsm_h%vsws(surf_start)
469                ELSEIF ( surf_usm_h%start_index(jp,ip) <=                  &
470                         surf_usm_h%end_index(jp,ip) )  THEN
471                   surf_start = surf_usm_h%start_index(jp,ip)
472                   us_int    = MAX( surf_usm_h%us(surf_start), 0.01_wp ) 
473                   vsws_int  = surf_usm_h%vsws(surf_start)
474                ENDIF 
475!
476!--             Neutral solution is applied for all situations, e.g. also for
477!--             unstable and stable situations. Even though this is not exact
478!--             this saves a lot of CPU time since several calls of intrinsic
479!--             FORTRAN procedures (LOG, ATAN) are avoided, This is justified
480!--             as sensitivity studies revealed no significant effect of
481!--             using the neutral solution also for un/stable situations.
482                v_int(n) = -vsws_int / ( us_int * kappa + 1E-10_wp )           &
483                         * log_z_z0_int - v_gtrans
484
485             ENDIF
486
487          ELSE
488             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
489             y  = yv(n) - j * dy
490             aa = x**2          + y**2
491             bb = ( dx - x )**2 + y**2
492             cc = x**2          + ( dy - y )**2
493             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
494             gg = aa + bb + cc + dd
495
496             v_int_l = ( ( gg - aa ) * v(k,j,i)   + ( gg - bb ) * v(k,j,i+1)   &
497                       + ( gg - cc ) * v(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * v(k,j+1,i+1) &
498                       ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
499
500             IF ( k == nzt )  THEN
501                v_int(n) = v_int_l
502             ELSE
503                v_int_u = ( ( gg-aa ) * v(k+1,j,i)   + ( gg-bb ) * v(k+1,j,i+1)   &
504                          + ( gg-cc ) * v(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) * v(k+1,j+1,i+1) &
505                          ) / ( 3.0_wp * gg ) - v_gtrans
506                v_int(n) = v_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) *               &
507                                  ( v_int_u - v_int_l )
508             ENDIF
509
510          ENDIF
511
512       ENDDO
513!
514!--    Same procedure for interpolation of the w velocity-component
515       i = ip + block_offset(nb)%i_off
516       j = jp + block_offset(nb)%j_off
517       k = kp - 1
518
519       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
520
521          IF ( vertical_particle_advection(particles(n)%group) )  THEN
522
523             x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
524             y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
525             aa = x**2          + y**2
526             bb = ( dx - x )**2 + y**2
527             cc = x**2          + ( dy - y )**2
528             dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
529             gg = aa + bb + cc + dd
530
531             w_int_l = ( ( gg - aa ) * w(k,j,i)   + ( gg - bb ) * w(k,j,i+1)   &
532                       + ( gg - cc ) * w(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * w(k,j+1,i+1) &
533                       ) / ( 3.0_wp * gg )
534
535             IF ( k == nzt )  THEN
536                w_int(n) = w_int_l
537             ELSE
538                w_int_u = ( ( gg-aa ) * w(k+1,j,i)   + &
539                            ( gg-bb ) * w(k+1,j,i+1) + &
540                            ( gg-cc ) * w(k+1,j+1,i) + &
541                            ( gg-dd ) * w(k+1,j+1,i+1) &
542                          ) / ( 3.0_wp * gg )
543                w_int(n) = w_int_l + ( zv(n) - zw(k) ) / dzw(k+1) *               &
544                           ( w_int_u - w_int_l )
545             ENDIF
546
547          ELSE
548
549             w_int(n) = 0.0_wp
550
551          ENDIF
552
553       ENDDO
554
555    ENDDO
556
557!-- Interpolate and calculate quantities needed for calculating the SGS
558!-- velocities
559    IF ( use_sgs_for_particles  .AND.  .NOT. cloud_droplets )  THEN
560   
561       DO  nb = 0,7
562         
563          subbox_at_wall = .FALSE.         
564!
565!--       In case of topography check if subbox is adjacent to a wall
566          IF ( .NOT. topography == 'flat' ) THEN
567             i = ip + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 2 ) )
568             j = jp + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 1 ) )
569             k = kp + MERGE( -1_iwp , 1_iwp, BTEST( nb, 0 ) )
570             IF ( .NOT. BTEST(wall_flags_0(k,  jp, ip), 0) .OR.                &
571                  .NOT. BTEST(wall_flags_0(kp, j,  ip), 0) .OR.                &
572                  .NOT. BTEST(wall_flags_0(kp, jp, i ), 0) )                   &
573             THEN
574                subbox_at_wall = .TRUE.
575             ENDIF
576          ENDIF
577          IF ( subbox_at_wall ) THEN
578             e_int(start_index(nb):end_index(nb))     = e(kp,jp,ip) 
579             diss_int(start_index(nb):end_index(nb))  = diss(kp,jp,ip)
580             de_dx_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dx(kp,jp,ip)
581             de_dy_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dy(kp,jp,ip)
582             de_dz_int(start_index(nb):end_index(nb)) = de_dz(kp,jp,ip)
583!
584!--          Set flag for stochastic equation.
585             term_1_2(start_index(nb):end_index(nb)) = 0.0_wp             
586          ELSE
587             i = ip + block_offset(nb)%i_off
588             j = jp + block_offset(nb)%j_off
589             k = kp + block_offset(nb)%k_off
590
591             DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
592!
593!--             Interpolate TKE
594                x  = xv(n) + ( 0.5_wp - i ) * dx
595                y  = yv(n) + ( 0.5_wp - j ) * dy
596                aa = x**2          + y**2
597                bb = ( dx - x )**2 + y**2
598                cc = x**2          + ( dy - y )**2
599                dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
600                gg = aa + bb + cc + dd
601
602                e_int_l = ( ( gg-aa ) * e(k,j,i)   + ( gg-bb ) * e(k,j,i+1)   &
603                          + ( gg-cc ) * e(k,j+1,i) + ( gg-dd ) * e(k,j+1,i+1) &
604                          ) / ( 3.0_wp * gg )
605
606                IF ( k+1 == nzt+1 )  THEN
607                   e_int(n) = e_int_l
608                ELSE
609                   e_int_u = ( ( gg - aa ) * e(k+1,j,i)   + &
610                               ( gg - bb ) * e(k+1,j,i+1) + &
611                               ( gg - cc ) * e(k+1,j+1,i) + &
612                               ( gg - dd ) * e(k+1,j+1,i+1) &
613                            ) / ( 3.0_wp * gg )
614                   e_int(n) = e_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) *            &
615                                     ( e_int_u - e_int_l )
616                ENDIF
617!
618!--             Needed to avoid NaN particle velocities (this might not be
619!--             required any more)
620                IF ( e_int(n) <= 0.0_wp )  THEN
621                   e_int(n) = 1.0E-20_wp
622                ENDIF
623!
624!--             Interpolate the TKE gradient along x (adopt incides i,j,k and
625!--             all position variables from above (TKE))
626                de_dx_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dx(k,j,i)   + &
627                                ( gg - bb ) * de_dx(k,j,i+1) + &
628                                ( gg - cc ) * de_dx(k,j+1,i) + &
629                                ( gg - dd ) * de_dx(k,j+1,i+1) &
630                               ) / ( 3.0_wp * gg )
631
632                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
633                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l
634                ELSE
635                   de_dx_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dx(k+1,j,i)   + &
636                                   ( gg - bb ) * de_dx(k+1,j,i+1) + &
637                                   ( gg - cc ) * de_dx(k+1,j+1,i) + &
638                                   ( gg - dd ) * de_dx(k+1,j+1,i+1) &
639                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
640                   de_dx_int(n) = de_dx_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) *    &
641                                              ( de_dx_int_u - de_dx_int_l )
642                ENDIF
643!
644!--             Interpolate the TKE gradient along y
645                de_dy_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dy(k,j,i)   + &
646                                ( gg - bb ) * de_dy(k,j,i+1) + &
647                                ( gg - cc ) * de_dy(k,j+1,i) + &
648                                ( gg - dd ) * de_dy(k,j+1,i+1) &
649                               ) / ( 3.0_wp * gg )
650                IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
651                   de_dy_int(n) = de_dy_int_l
652                ELSE
653                   de_dy_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dy(k+1,j,i)   + &
654                                   ( gg - bb ) * de_dy(k+1,j,i+1) + &
655                                   ( gg - cc ) * de_dy(k+1,j+1,i) + &
656                                   ( gg - dd ) * de_dy(k+1,j+1,i+1) &
657                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
658                      de_dy_int(n) = de_dy_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) * &
659                                                 ( de_dy_int_u - de_dy_int_l )
660                ENDIF
661
662!
663!--             Interpolate the TKE gradient along z
664                IF ( zv(n) < 0.5_wp * dz(1) )  THEN
665                   de_dz_int(n) = 0.0_wp
666                ELSE
667                   de_dz_int_l = ( ( gg - aa ) * de_dz(k,j,i)   + &
668                                   ( gg - bb ) * de_dz(k,j,i+1) + &
669                                   ( gg - cc ) * de_dz(k,j+1,i) + &
670                                   ( gg - dd ) * de_dz(k,j+1,i+1) &
671                                  ) / ( 3.0_wp * gg )
672
673                   IF ( ( k+1 == nzt+1 )  .OR.  ( k == nzb ) )  THEN
674                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l
675                   ELSE
676                      de_dz_int_u = ( ( gg - aa ) * de_dz(k+1,j,i)   + &
677                                      ( gg - bb ) * de_dz(k+1,j,i+1) + &
678                                      ( gg - cc ) * de_dz(k+1,j+1,i) + &
679                                      ( gg - dd ) * de_dz(k+1,j+1,i+1) &
680                                     ) / ( 3.0_wp * gg )
681                      de_dz_int(n) = de_dz_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) * &
682                                                 ( de_dz_int_u - de_dz_int_l )
683                   ENDIF
684                ENDIF
685
686!
687!--             Interpolate the dissipation of TKE
688                diss_int_l = ( ( gg - aa ) * diss(k,j,i)   + &
689                               ( gg - bb ) * diss(k,j,i+1) + &
690                               ( gg - cc ) * diss(k,j+1,i) + &
691                               ( gg - dd ) * diss(k,j+1,i+1) &
692                               ) / ( 3.0_wp * gg )
693
694                IF ( k == nzt )  THEN
695                   diss_int(n) = diss_int_l
696                ELSE
697                   diss_int_u = ( ( gg - aa ) * diss(k+1,j,i)   + &
698                                  ( gg - bb ) * diss(k+1,j,i+1) + &
699                                  ( gg - cc ) * diss(k+1,j+1,i) + &
700                                  ( gg - dd ) * diss(k+1,j+1,i+1) &
701                                 ) / ( 3.0_wp * gg )
702                   diss_int(n) = diss_int_l + ( zv(n) - zu(k) ) / dzw(k+1) *      &
703                                            ( diss_int_u - diss_int_l )
704                ENDIF
705
706!
707!--             Set flag for stochastic equation.
708                term_1_2(n) = 1.0_wp
709             ENDDO
710          ENDIF
711       ENDDO
712
713       DO nb = 0,7
714          i = ip + block_offset(nb)%i_off
715          j = jp + block_offset(nb)%j_off
716          k = kp + block_offset(nb)%k_off
717
718          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
719!
720!--          Vertical interpolation of the horizontally averaged SGS TKE and
721!--          resolved-scale velocity variances and use the interpolated values
722!--          to calculate the coefficient fs, which is a measure of the ratio
723!--          of the subgrid-scale turbulent kinetic energy to the total amount
724!--          of turbulent kinetic energy.
725             IF ( k == 0 )  THEN
726                e_mean_int = hom(0,1,8,0)
727             ELSE
728                e_mean_int = hom(k,1,8,0) +                                    &
729                                           ( hom(k+1,1,8,0) - hom(k,1,8,0) ) / &
730                                           ( zu(k+1) - zu(k) ) *               &
731                                           ( zv(n) - zu(k) )
732             ENDIF
733
734             kw = kp - 1
735
736             IF ( k == 0 )  THEN
737                aa  = hom(k+1,1,30,0)  * ( zv(n) / &
738                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
739                bb  = hom(k+1,1,31,0)  * ( zv(n) / &
740                                         ( 0.5_wp * ( zu(k+1) - zu(k) ) ) )
741                cc  = hom(kw+1,1,32,0) * ( zv(n) / &
742                                         ( 1.0_wp * ( zw(kw+1) - zw(kw) ) ) )
743             ELSE
744                aa  = hom(k,1,30,0) + ( hom(k+1,1,30,0) - hom(k,1,30,0) ) *    &
745                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
746                bb  = hom(k,1,31,0) + ( hom(k+1,1,31,0) - hom(k,1,31,0) ) *    &
747                           ( ( zv(n) - zu(k) ) / ( zu(k+1) - zu(k) ) )
748                cc  = hom(kw,1,32,0) + ( hom(kw+1,1,32,0)-hom(kw,1,32,0) ) *   &
749                           ( ( zv(n) - zw(kw) ) / ( zw(kw+1)-zw(kw) ) )
750             ENDIF
751
752             vv_int = ( 1.0_wp / 3.0_wp ) * ( aa + bb + cc )
753!
754!--          Needed to avoid NaN particle velocities. The value of 1.0 is just
755!--          an educated guess for the given case.
756             IF ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int == 0.0_wp )  THEN
757                fs_int(n) = 1.0_wp
758             ELSE
759                fs_int(n) = ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int /                 &
760                            ( vv_int + ( 2.0_wp / 3.0_wp ) * e_mean_int )
761             ENDIF
762
763          ENDDO
764       ENDDO
765
766       DO  nb = 0, 7
767          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
768             rg(n,1) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
769             rg(n,2) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
770             rg(n,3) = random_gauss( iran_part, 5.0_wp )
771          ENDDO
772       ENDDO
773
774       DO  nb = 0, 7
775          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
776
777!
778!--          Calculate the Lagrangian timescale according to Weil et al. (2004).
779             lagr_timescale(n) = ( 4.0_wp * e_int(n) + 1E-20_wp ) / &
780                              ( 3.0_wp * fs_int(n) * c_0 * diss_int(n) + 1E-20_wp )
781
782!
783!--          Calculate the next particle timestep. dt_gap is the time needed to
784!--          complete the current LES timestep.
785             dt_gap(n) = dt_3d - particles(n)%dt_sum
786             dt_particle(n) = MIN( dt_3d, 0.025_wp * lagr_timescale(n), dt_gap(n) )
787             particles(n)%aux1 = lagr_timescale(n)
788             particles(n)%aux2 = dt_gap(n)
789!
790!--          The particle timestep should not be too small in order to prevent
791!--          the number of particle timesteps of getting too large
792             IF ( dt_particle(n) < dt_min_part  .AND.  dt_min_part < dt_gap(n) )  THEN
793                dt_particle(n) = dt_min_part
794             ENDIF
795             rvar1_temp(n) = particles(n)%rvar1
796             rvar2_temp(n) = particles(n)%rvar2
797             rvar3_temp(n) = particles(n)%rvar3
798!
799!--          Calculate the SGS velocity components
800             IF ( particles(n)%age == 0.0_wp )  THEN
801!
802!--             For new particles the SGS components are derived from the SGS
803!--             TKE. Limit the Gaussian random number to the interval
804!--             [-5.0*sigma, 5.0*sigma] in order to prevent the SGS velocities
805!--             from becoming unrealistically large.
806                rvar1_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
807                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,1) - 1.0_wp )
808                rvar2_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
809                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,2) - 1.0_wp )
810                rvar3_temp(n) = SQRT( 2.0_wp * sgs_wf_part * e_int(n)          &
811                                          + 1E-20_wp ) * ( rg(n,3) - 1.0_wp )
812
813             ELSE
814!
815!--             Restriction of the size of the new timestep: compared to the
816!--             previous timestep the increase must not exceed 200%. First,
817!--             check if age > age_m, in order to prevent that particles get zero
818!--             timestep.
819                dt_particle_m = MERGE( dt_particle(n),                         &
820                                       particles(n)%age - particles(n)%age_m,  &
821                                       particles(n)%age - particles(n)%age_m < &
822                                       1E-8_wp )
823                IF ( dt_particle(n) > 2.0_wp * dt_particle_m )  THEN
824                   dt_particle(n) = 2.0_wp * dt_particle_m
825                ENDIF
826
827!--             For old particles the SGS components are correlated with the
828!--             values from the previous timestep. Random numbers have also to
829!--             be limited (see above).
830!--             As negative values for the subgrid TKE are not allowed, the
831!--             change of the subgrid TKE with time cannot be smaller than
832!--             -e_int(n)/dt_particle. This value is used as a lower boundary
833!--             value for the change of TKE
834                de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
835
836                de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
837
838                IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
839                   de_dt = de_dt_min
840                ENDIF
841
842                CALL weil_stochastic_eq(rvar1_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
843                                        de_dx_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
844                                        dt_particle(n), rg(n,1), term_1_2(n) )
845
846                CALL weil_stochastic_eq(rvar2_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
847                                        de_dy_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
848                                        dt_particle(n), rg(n,2), term_1_2(n) )
849
850                CALL weil_stochastic_eq(rvar3_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
851                                        de_dz_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
852                                        dt_particle(n), rg(n,3), term_1_2(n) )
853
854             ENDIF
855
856          ENDDO
857       ENDDO
858!
859!--    Check if the added SGS velocities result in a violation of the CFL-
860!--    criterion. If yes choose a smaller timestep based on the new velocities
861!--    and calculate SGS velocities again
862       dz_temp = zw(kp)-zw(kp-1)
863       
864       DO  nb = 0, 7
865          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
866             IF ( .NOT. particles(n)%age == 0.0_wp .AND.                       &
867                (ABS( u_int(n) + rvar1_temp(n) ) > (dx/dt_particle(n))  .OR.   &
868                 ABS( v_int(n) + rvar2_temp(n) ) > (dy/dt_particle(n))  .OR.   &
869                 ABS( w_int(n) + rvar3_temp(n) ) > (dz_temp/dt_particle(n)))) THEN
870               
871                dt_particle(n) = 0.9_wp * MIN(                                 &
872                                 ( dx / ABS( u_int(n) + rvar1_temp(n) ) ),     &
873                                 ( dy / ABS( v_int(n) + rvar2_temp(n) ) ),     &
874                                 ( dz_temp / ABS( w_int(n) + rvar3_temp(n) ) ) )
875
876!
877!--             Reset temporary SGS velocites to "current" ones
878                rvar1_temp(n) = particles(n)%rvar1
879                rvar2_temp(n) = particles(n)%rvar2
880                rvar3_temp(n) = particles(n)%rvar3
881               
882                de_dt_min = - e_int(n) / dt_particle(n)
883
884                de_dt = ( e_int(n) - particles(n)%e_m ) / dt_particle_m
885
886                IF ( de_dt < de_dt_min )  THEN
887                   de_dt = de_dt_min
888                ENDIF
889
890                CALL weil_stochastic_eq(rvar1_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
891                                        de_dx_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
892                                        dt_particle(n), rg(n,1), term_1_2(n) )
893
894                CALL weil_stochastic_eq(rvar2_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
895                                        de_dy_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
896                                        dt_particle(n), rg(n,2), term_1_2(n) )
897
898                CALL weil_stochastic_eq(rvar3_temp(n), fs_int(n), e_int(n),& 
899                                        de_dz_int(n), de_dt, diss_int(n),       &
900                                        dt_particle(n), rg(n,3), term_1_2(n) )
901             ENDIF                           
902             
903!
904!--          Update particle velocites
905             particles(n)%rvar1 = rvar1_temp(n)
906             particles(n)%rvar2 = rvar2_temp(n)
907             particles(n)%rvar3 = rvar3_temp(n)
908             u_int(n) = u_int(n) + particles(n)%rvar1
909             v_int(n) = v_int(n) + particles(n)%rvar2
910             w_int(n) = w_int(n) + particles(n)%rvar3
911!
912!--          Store the SGS TKE of the current timelevel which is needed for
913!--          for calculating the SGS particle velocities at the next timestep
914             particles(n)%e_m = e_int(n)
915          ENDDO
916       ENDDO
917       
918    ELSE
919!
920!--    If no SGS velocities are used, only the particle timestep has to
921!--    be set
922       dt_particle = dt_3d
923
924    ENDIF
925
926    dens_ratio = particle_groups(particles(1:number_of_particles)%group)%density_ratio
927
928    IF ( ANY( dens_ratio == 0.0_wp ) )  THEN
929       DO  nb = 0, 7
930          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
931
932!
933!--          Particle advection
934             IF ( dens_ratio(n) == 0.0_wp )  THEN
935!
936!--             Pure passive transport (without particle inertia)
937                particles(n)%x = xv(n) + u_int(n) * dt_particle(n)
938                particles(n)%y = yv(n) + v_int(n) * dt_particle(n)
939                particles(n)%z = zv(n) + w_int(n) * dt_particle(n)
940
941                particles(n)%speed_x = u_int(n)
942                particles(n)%speed_y = v_int(n)
943                particles(n)%speed_z = w_int(n)
944
945             ELSE
946!
947!--             Transport of particles with inertia
948                particles(n)%x = particles(n)%x + particles(n)%speed_x * &
949                                                  dt_particle(n)
950                particles(n)%y = particles(n)%y + particles(n)%speed_y * &
951                                                  dt_particle(n)
952                particles(n)%z = particles(n)%z + particles(n)%speed_z * &
953                                                  dt_particle(n)
954
955!
956!--             Update of the particle velocity
957                IF ( cloud_droplets )  THEN
958!
959!--                Terminal velocity is computed for vertical direction (Rogers et
960!--                al., 1993, J. Appl. Meteorol.)
961                   diameter = particles(n)%radius * 2000.0_wp !diameter in mm
962                   IF ( diameter <= d0_rog )  THEN
963                      w_s = k_cap_rog * diameter * ( 1.0_wp - EXP( -k_low_rog * diameter ) )
964                   ELSE
965                      w_s = a_rog - b_rog * EXP( -c_rog * diameter )
966                   ENDIF
967
968!
969!--                If selected, add random velocities following Soelch and Kaercher
970!--                (2010, Q. J. R. Meteorol. Soc.)
971                   IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
972                      lagr_timescale(n) = km(kp,jp,ip) / MAX( e(kp,jp,ip), 1.0E-20_wp )
973                      RL             = EXP( -1.0_wp * dt_3d / MAX( lagr_timescale(n), &
974                                             1.0E-20_wp ) )
975                      sigma          = SQRT( e(kp,jp,ip) )
976
977                      rg1 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
978                      rg2 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
979                      rg3 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
980
981                      particles(n)%rvar1 = RL * particles(n)%rvar1 +              &
982                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg1
983                      particles(n)%rvar2 = RL * particles(n)%rvar2 +              &
984                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg2
985                      particles(n)%rvar3 = RL * particles(n)%rvar3 +              &
986                                           SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg3
987
988                      particles(n)%speed_x = u_int(n) + particles(n)%rvar1
989                      particles(n)%speed_y = v_int(n) + particles(n)%rvar2
990                      particles(n)%speed_z = w_int(n) + particles(n)%rvar3 - w_s
991                   ELSE
992                      particles(n)%speed_x = u_int(n)
993                      particles(n)%speed_y = v_int(n)
994                      particles(n)%speed_z = w_int(n) - w_s
995                   ENDIF
996
997                ELSE
998
999                   IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1000                      exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1001                      exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1002                   ELSE
1003                      exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1004                      exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1005                   ENDIF
1006                   particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +         &
1007                                          u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1008                   particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +         &
1009                                          v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1010                   particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +         &
1011                                          ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * &
1012                                          g / exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1013                ENDIF
1014
1015             ENDIF
1016          ENDDO
1017       ENDDO
1018   
1019    ELSE
1020
1021       DO  nb = 0, 7
1022          DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1023!
1024!--          Transport of particles with inertia
1025             particles(n)%x = xv(n) + particles(n)%speed_x * dt_particle(n)
1026             particles(n)%y = yv(n) + particles(n)%speed_y * dt_particle(n)
1027             particles(n)%z = zv(n) + particles(n)%speed_z * dt_particle(n)
1028!
1029!--          Update of the particle velocity
1030             IF ( cloud_droplets )  THEN
1031!
1032!--             Terminal velocity is computed for vertical direction (Rogers et al.,
1033!--             1993, J. Appl. Meteorol.)
1034                diameter = particles(n)%radius * 2000.0_wp !diameter in mm
1035                IF ( diameter <= d0_rog )  THEN
1036                   w_s = k_cap_rog * diameter * ( 1.0_wp - EXP( -k_low_rog * diameter ) )
1037                ELSE
1038                   w_s = a_rog - b_rog * EXP( -c_rog * diameter )
1039                ENDIF
1040
1041!
1042!--             If selected, add random velocities following Soelch and Kaercher
1043!--             (2010, Q. J. R. Meteorol. Soc.)
1044                IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1045                    lagr_timescale(n) = km(kp,jp,ip) / MAX( e(kp,jp,ip), 1.0E-20_wp )
1046                     RL             = EXP( -1.0_wp * dt_3d / MAX( lagr_timescale(n), &
1047                                             1.0E-20_wp ) )
1048                    sigma          = SQRT( e(kp,jp,ip) )
1049
1050                    rg1 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1051                    rg2 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1052                    rg3 = random_gauss( iran_part, 5.0_wp ) - 1.0_wp
1053
1054                    particles(n)%rvar1 = RL * particles(n)%rvar1 +                &
1055                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg1
1056                    particles(n)%rvar2 = RL * particles(n)%rvar2 +                &
1057                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg2
1058                    particles(n)%rvar3 = RL * particles(n)%rvar3 +                &
1059                                         SQRT( 1.0_wp - RL**2 ) * sigma * rg3
1060
1061                    particles(n)%speed_x = u_int(n) + particles(n)%rvar1
1062                    particles(n)%speed_y = v_int(n) + particles(n)%rvar2
1063                    particles(n)%speed_z = w_int(n) + particles(n)%rvar3 - w_s
1064                ELSE
1065                    particles(n)%speed_x = u_int(n)
1066                    particles(n)%speed_y = v_int(n)
1067                    particles(n)%speed_z = w_int(n) - w_s
1068                ENDIF
1069
1070             ELSE
1071
1072                IF ( use_sgs_for_particles )  THEN
1073                   exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1074                   exp_term = EXP( -exp_arg * dt_particle(n) )
1075                ELSE
1076                   exp_arg  = particle_groups(particles(n)%group)%exp_arg
1077                   exp_term = particle_groups(particles(n)%group)%exp_term
1078                ENDIF
1079                particles(n)%speed_x = particles(n)%speed_x * exp_term +             &
1080                                       u_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1081                particles(n)%speed_y = particles(n)%speed_y * exp_term +             &
1082                                       v_int(n) * ( 1.0_wp - exp_term )
1083                particles(n)%speed_z = particles(n)%speed_z * exp_term +             &
1084                                       ( w_int(n) - ( 1.0_wp - dens_ratio(n) ) * g / &
1085                                       exp_arg ) * ( 1.0_wp - exp_term )
1086             ENDIF
1087          ENDDO
1088       ENDDO
1089
1090    ENDIF
1091
1092!
1093!-- Store the old age of the particle ( needed to prevent that a
1094!-- particle crosses several PEs during one timestep, and for the
1095!-- evaluation of the subgrid particle velocity fluctuations )
1096    particles(1:number_of_particles)%age_m = particles(1:number_of_particles)%age
1097
1098    DO  nb = 0, 7
1099       DO  n = start_index(nb), end_index(nb)
1100!
1101!--       Increment the particle age and the total time that the particle
1102!--       has advanced within the particle timestep procedure
1103          particles(n)%age    = particles(n)%age    + dt_particle(n)
1104          particles(n)%dt_sum = particles(n)%dt_sum + dt_particle(n)
1105
1106!
1107!--       Check whether there is still a particle that has not yet completed
1108!--       the total LES timestep
1109          IF ( ( dt_3d - particles(n)%dt_sum ) > 1E-8_wp )  THEN
1110             dt_3d_reached_l = .FALSE.
1111          ENDIF
1112
1113       ENDDO
1114    ENDDO
1115
1116    CALL cpu_log( log_point_s(44), 'lpm_advec', 'pause' )
1117
1118
1119 END SUBROUTINE lpm_advec
1120
1121! Description:
1122! ------------
1123!> Calculation of subgrid-scale particle speed using the stochastic model
1124!> of Weil et al. (2004, JAS, 61, 2877-2887).
1125!------------------------------------------------------------------------------!
1126 SUBROUTINE weil_stochastic_eq( v_sgs, fs_n, e_n, dedxi_n, dedt_n, diss_n,     &
1127                                dt_n, rg_n, fac )
1128
1129    USE kinds
1130
1131    USE particle_attributes,                                                   &
1132        ONLY:  c_0, sgs_wf_part
1133
1134    IMPLICIT NONE
1135
1136    REAL(wp) ::  a1      !< dummy argument
1137    REAL(wp) ::  dedt_n  !< time derivative of TKE at particle position
1138    REAL(wp) ::  dedxi_n !< horizontal derivative of TKE at particle position
1139    REAL(wp) ::  diss_n  !< dissipation at particle position
1140    REAL(wp) ::  dt_n    !< particle timestep
1141    REAL(wp) ::  e_n     !< TKE at particle position
1142    REAL(wp) ::  fac     !< flag to identify adjacent topography
1143    REAL(wp) ::  fs_n    !< weighting factor to prevent that subgrid-scale particle speed becomes too large
1144    REAL(wp) ::  rg_n    !< random number
1145    REAL(wp) ::  term1   !< memory term
1146    REAL(wp) ::  term2   !< drift correction term
1147    REAL(wp) ::  term3   !< random term
1148    REAL(wp) ::  v_sgs   !< subgrid-scale velocity component
1149
1150!-- At first, limit TKE to a small non-zero number, in order to prevent
1151!-- the occurrence of extremely large SGS-velocities in case TKE is zero,
1152!-- (could occur at the simulation begin).
1153    e_n = MAX( e_n, 1E-20_wp )
1154!
1155!-- Please note, terms 1 and 2 (drift and memory term, respectively) are
1156!-- multiplied by a flag to switch of both terms near topography.
1157!-- This is necessary, as both terms may cause a subgrid-scale velocity build up
1158!-- if particles are trapped in regions with very small TKE, e.g. in narrow street
1159!-- canyons resolved by only a few grid points. Hence, term 1 and term 2 are
1160!-- disabled if one of the adjacent grid points belongs to topography.
1161!-- Moreover, in this case, the  previous subgrid-scale component is also set
1162!-- to zero.
1163
1164    a1 = fs_n * c_0 * diss_n
1165!
1166!-- Memory term
1167    term1 = - a1 * v_sgs * dt_n / ( 4.0_wp * sgs_wf_part * e_n + 1E-20_wp )    &
1168                 * fac
1169!
1170!-- Drift correction term
1171    term2 = ( ( dedt_n * v_sgs / e_n ) + dedxi_n ) * 0.5_wp * dt_n              &
1172                 * fac
1173!
1174!-- Random term
1175    term3 = SQRT( MAX( a1, 1E-20_wp ) ) * ( rg_n - 1.0_wp ) * SQRT( dt_n )
1176!
1177!-- In cese one of the adjacent grid-boxes belongs to topograhy, the previous
1178!-- subgrid-scale velocity component is set to zero, in order to prevent a
1179!-- velocity build-up.
1180!-- This case, set also previous subgrid-scale component to zero.
1181    v_sgs = v_sgs * fac + term1 + term2 + term3
1182
1183 END SUBROUTINE weil_stochastic_eq
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.